通信電源配套ATS高可靠改造與展望

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通信電源配套ATS高可靠改造與展望

鐵路系統(tǒng)因調(diào)度、通訊、信號(hào)的需要，對(duì)電源要求嚴(yán)苛，不僅配了雙市電自動(dòng)切換（優(yōu)選質(zhì)量好的那路，兩路都正常則選第一路），而且后備蓄電池組（切換期間或切換失敗供電），并為電源適配器配置了后臺(tái)監(jiān)控（發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)排查）；
依據(jù)歷史數(shù)據(jù)，兩路市電同時(shí)停電的概率極小（基本可以忽略不計(jì)），配的蓄電池也主要是為了兩路交流電相互切換間隙的供電、故障期間供電；
這樣的配置，表面上是非?？煽?，但一些歷史教訓(xùn)證明這樣的高可靠是偽命題！本文討論鐵路電源適配器存在的缺陷并提出優(yōu)化方案（本文拋開其他因素，僅從電源適配器本身尋求優(yōu)化）。
二 ATS原理
2.1 ATS功能
熟悉配電系統(tǒng)的都知道，兩路交流輸入因相位、電壓、頻率不同步，是不能直接并聯(lián)的，兩路交流電送入系統(tǒng)后會(huì)經(jīng)過自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（Automatic transfer switching equipment，簡(jiǎn)稱ATS）的裝置進(jìn)行切換，將負(fù)載電源適配器從一路輸入自動(dòng)換接至另一路電源適配器，以確保重要負(fù)荷連續(xù)、可靠運(yùn)行，ATS常常應(yīng)用在重要用電場(chǎng)所，其產(chǎn)品可靠性尤為重要；

圖2.1 ATS系統(tǒng)原理
2.2 ATS分類
ATS分PC級(jí)、CB級(jí)、CC級(jí)三種
2.2.1 PC級(jí)：雙電源適配器切換的專用開關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、自身連鎖、轉(zhuǎn)換速度快（120ms—250ms）、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)，但需要配備短路保護(hù)電器，價(jià)格在萬元級(jí)。
2.2.2 CB級(jí)：由兩臺(tái)斷路器+機(jī)械連鎖+驅(qū)動(dòng)組成，配備過電流脫扣器，具有短路保護(hù)功能，相對(duì)PC級(jí)價(jià)格低，適合切換時(shí)間要求不高場(chǎng)合，價(jià)格在千元級(jí)；
2.2.3 CC級(jí)：由兩個(gè)交流接觸器、機(jī)械互鎖機(jī)構(gòu)、檢測(cè)與控制電路板組成的一個(gè)系統(tǒng)，用于設(shè)備級(jí)小功率場(chǎng)合，沒有過流保護(hù)功能，可靠性較低，切換時(shí)間也較長(zhǎng)，價(jià)格在百元級(jí)；
2.3 當(dāng)前使用ATS可靠性分析
目前基站開關(guān)電源適配器內(nèi)置ATS，如果非訂制產(chǎn)品，基本為CC級(jí)的；
2.3.1 先分析一下CC級(jí)ATS用的交流接觸器；
功率觸點(diǎn)：因接通與斷開觸點(diǎn)瞬間會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧對(duì)觸點(diǎn)有一定燒蝕，因此觸點(diǎn)操作次數(shù)是有一定壽命的，使用時(shí)間越長(zhǎng)越易損壞；
線圈：原理類似繼電器，由線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)吸合鐵芯從而使端子吸合，為了產(chǎn)生足夠的磁力，需要通過一定能量的電流，通過紅外掃描會(huì)發(fā)現(xiàn)線圈部分溫升很高，長(zhǎng)期工作溫度可能達(dá)20度甚至30度（參考圖2.3.1），溫升會(huì)加速內(nèi)部活動(dòng)部件失油、會(huì)讓功率觸點(diǎn)加速氧化、會(huì)使線圈絕緣狀況惡化，因此本身可靠性就不高；

圖2.3.1 對(duì)運(yùn)行接觸器紅外熱成像掃描
2.3.2 控制電路：對(duì)ATS可靠性至關(guān)重要，直接決定切換成功與失敗，依據(jù)以往維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，故障率很高，特別是用在山上（雷擊）、海邊區(qū)域（腐蝕）；
2.3.3 機(jī)械互鎖機(jī)構(gòu)：雙電源適配器ATS兩個(gè)交流接觸器拼裝而成，為了防止誤動(dòng)作（同時(shí)吸合），兩接觸器中間有一個(gè)機(jī)械互鎖裝置，在長(zhǎng)期高溫環(huán)境中，易缺油卡死；
2.3.4 電氣互鎖機(jī)構(gòu)：為了充分保證可靠性，兩接觸器還有電氣互鎖功能：一個(gè)交流接觸器的線圈控制電壓需經(jīng)過另外一個(gè)交流接觸器的常閉觸點(diǎn)，也就是說，如果要接觸器1吸合，接觸器2必需處于斷開狀態(tài)（也就是說常閉觸點(diǎn)閉合），如果接觸器2常閉觸點(diǎn)氧化或其他原因斷開，則接觸器1永遠(yuǎn)無吸合可能（參考圖2.3.4）；從圖2.3.4也可看出，CC級(jí)ATS接線較復(fù)雜，互鎖裝置裝配有難度，所以因故障導(dǎo)致的維護(hù)時(shí)間也會(huì)較長(zhǎng)，對(duì)維護(hù)人員技術(shù)水平要求也高，直接結(jié)果是故障恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)；

圖2.3.4 交流接觸器組成CC級(jí)ATS接線圖
2.3.5 采樣電路：ATS控制電路會(huì)依據(jù)采樣電路送來信號(hào)對(duì)交流電源適配器進(jìn)行判斷，決定使用哪路交流電，因此送來的采樣信號(hào)對(duì)ATS工作也有很大影響；
2.4 可靠性分析（只分析相關(guān)部分，對(duì)其余配電因素不考慮）
發(fā)現(xiàn)有配一組蓄電池組的站點(diǎn)，我們以配一組蓄電池配ATS與配兩組電池不配ATS分析可靠性差異；
2.4.1 由上面分析可知，CC級(jí)ATS本身就是一個(gè)精密控制系統(tǒng)，有采樣電路、控制電路、互鎖機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，任一個(gè)部件有問題都會(huì)導(dǎo)致切換失?。ㄇ袚Q失敗直接結(jié)果就是：有電不能用），假設(shè)交流接觸器線圈本身可靠度為R1、機(jī)械互鎖機(jī)構(gòu)可靠度為R2、電氣互鎖機(jī)構(gòu)可靠度為R3、控制電路可靠度為R4、采樣電路可靠性為R5，假設(shè)每個(gè)的可靠性均為0.98，則ATS系統(tǒng)可靠性為：
Rats=R1*R2*R3*R4*R5=0.99*0.99*0.99*0.99*0.99=0.95099
2.4.2 一組與兩組蓄電池可靠性分析

圖2.4.2 兩組蓄電池可靠性模型
假設(shè)單蓄電池組可靠性為0.99，則兩組并聯(lián)可靠性：
R=【1-(1-R1)*(1-R2)】=1-(1-0.99)*(1-0.99)=0.9999
可見通過電池并聯(lián)，可大大提高系統(tǒng)可靠性，所以在配置時(shí)，建議選配兩組蓄電池；
2.4.3 以配ATS&配一組蓄電池分析，假設(shè)整流模塊組的可用性為0.9999，系統(tǒng)模型：

圖2.4.3 CC級(jí)ATS配單組蓄電池系統(tǒng)可靠性模型
Ra=0.95099*0.9999*0.99=0.94134
2.4.4 以不配ATS&配兩組蓄電池分析，整流模塊組可用性仍為0.9999，系統(tǒng)模型：

圖2.4.4 不配ATS并配兩組蓄電池系統(tǒng)可靠性模型
Rb=0.9999*0.9999=0.9998
2.4.5 兩組方案不可靠度對(duì)比
（1-0.94134）/(1-0.9998)=0.05866/0.0002=293倍
可算出采用ATS與配一組蓄電池與不采用ATS配兩組蓄電池的不可靠性相差293倍，依據(jù)以往的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，ATS在實(shí)際應(yīng)用中間也確實(shí)是存在不少問題，需要投入大量的人力與物力（配后臺(tái)監(jiān)控等），在極端情況下：兩路市電都正常，ATS損壞，模塊不能工作，蓄電池組放電，電池組異常導(dǎo)致來不及搶修而宕站；
對(duì)于蓄電池組的配置，不再深入討論（增配即可），下面主要討論一下CC ATS的優(yōu)化問題；

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| 發(fā)布時(shí)間：2018.06.25 來源：電源適配器廠家

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